(57)【要約】【課題】熱処理による電気特性の劣化の少ない有機ＦＥＴを提供することを目的とする。【解決手段】ゲート絶縁層４の上に、ソース電極５とドレイン電極６とが配置され、ソース電極５とドレイン電極６との上に、有機半導体層８を有する有機トランジスタであって、ソース電極５と有機半導体層８との間、およびドレイン電極６と有機半導体層８との間には、単分子膜７を備えることを特徴とする。また、単分子膜７は、チオール類の単分子を含む膜であることを特徴とする。【選択図】図１
2010219457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート絶縁層の上に、ソース電極とドレイン電極とが配置され、前記ソース電極と前記ドレイン電極との上に、有機半導体層を有する有機トランジスタであって、
前記ソース電極と前記有機半導体層との間、および前記ドレイン電極と前記有機半導体層との間には、単分子膜を備えることを特徴とする有機トランジスタ。
【請求項２】
前記単分子膜は、チオール類の単分子を含む膜であることを特徴とする請求項１に記載の有機トランジスタ。
【請求項３】
基板にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を覆うように、ゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層の上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上に有機半導体層を形成する工程と、
を備える有機トランジスタの製造方法であって、
前記有機半導体層を形成する工程の前に、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の表面を単分子膜で覆う処理を行う工程を有することを特徴とする有機トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記単分子膜は、チオール類の単分子を含む膜であることを特徴とする請求項３に記載の有機トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機トランジスタの製造方法に関し、有機トランジスタの電気特性の劣化抑制に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機半導体をチャネル層に利用した有機電界効果トランジスタ（または有機トランジスタ、以下有機ＦＥＴと称す。）が大変な注目を集めている。有機ＦＥＴは、シリコンなど無機半導体をチャネルとした従来型の電界効果トランジスタと比べると低コストプロセスで、大面積で、機械的にフレキシブルであるという特徴を有する。しかしながら、このような有機半導体を用いた素子は、無機半導体の素子と比較して、一般に駆動安定性が悪いことが知られている。
【０００３】
有機ＦＥＴの性能を評価する指標の一つにオン・オフ比が挙げられる。オン・オフ比というのは、オン時のドレイン電流値とオフ時のドレイン電流値の比であるが、通常の有機ＦＥＴでは、オン・オフ比は少なくとも１０3以上であることが好ましい。またオン電流は１０-6Ａ以上が好ましく、オフ電流は１０-9Ａ以下が好ましい。しかし、有機ＦＥＴを用いた素子、特に塗布プロセスを用いて作成した素子は、オン・オフ比が小さくなってしまうという問題があった。
【０００４】
塗布プロセスを用いて作成した素子において、オン・オフ比が小さくなってしまう原因は、有機半導体を溶かしていた溶媒が膜中に残存してしまうことや、溶媒に含まれていた酸素などの影響があげられる。そこで残留している溶媒や酸素などを除去するために、有機ＦＥＴを製造した後に熱処理工程を行い、駆動安定性を得る試みがなされてきた（例えば、非特許文献１。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｂｒｉａｎ  Ａ．Ｍａｔｔｉｓ、「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ａｎｄ  ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  ｂｙ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｙｃｌｉｎｇ」、Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｍｅｔａｌｓ、ＥＬＳＥＶＩＥＲ、２００６年１０月１７日、第１５６巻、ｐ．１２４１−１２４８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、ボトムゲート−ボトムコンタクト型ＦＥＴについては、素子作製後に熱処理を行ってもオン・オフ比の改善がみられない結果を得た。これは熱処理によってオフ電流だけでなく、オン電流も低下してしまうためである。この原因としては、ゲート絶縁膜とソース及びドレイン電極の表面エネルギー、ひいては有機半導体の結晶性が異なるため、熱処理によって有機半導体の膜が構造緩和した際に、ゲート絶縁膜とソース及びドレイン電極の境界で不連続になってしまうことが考えられる。
【０００７】
本発明の製造方法は熱処理による電気特性の劣化の少ない有機ＦＥＴを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の有機トランジスタは、ゲート絶縁層の上に、ソース電極とドレイン電極とが配
置され、このソース電極とドレイン電極との上に、有機半導体層を有する有機トランジスタであって、ソース電極と有機半導体層との間、およびドレイン電極と有機半導体層との間には、単分子膜を備えることを特徴とする。また、この単分子膜は、チオール類の単分子を含む膜であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の有機トランジスタの製造方法は、基板にゲート電極を形成する工程と、このゲート電極を覆うように、ゲート絶縁層を形成する工程と、このゲート絶縁層の上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、ソース及びドレイン電極の上に半導体層を形成する工程とを備える有機トランジスタの製造方法であって、有機半導体層を形成する工程の前に、ソース電極及び前記ドレイン電極の表面を単分子膜で覆う処理を行う工程を有することを特徴とする。さらに、この単分子膜は、チオール類の単分子を含む膜であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の有機トランジスタによれば、ソースおよびドレイン電極を形成後に、ソース及びドレイン電極上に自己組織化する単分子層を形成することにより、熱処理によるオン電流の低下を抑制することができる。
【００１１】
これは、ソース及びドレイン電極上に自己組織化単分子膜を形成することにより、ゲート絶縁膜表面とソース及びドレイン電極表面の表面エネルギーを近づけることができ、その結果、熱処理によって発生すると考えられる有機半導体層内の不連続を低減することによるものと推測される。そして、オン電流低下の抑制、ひいては有機半導体の移動度及びオン・オフ比の改善を得ることができる。よって、本発明は、ゲート絶縁膜とソース及びドレイン電極の表面エネルギーに差があればある程、大きな効果が得られる。
【００１２】
自己組織化する単分子膜とは、ある分子が基板表面に密に集合し、なおかつ配向性がそろうように形成された、ちょうど分子一層分の膜のことである。例えばシランカップリング剤や、アルカンチオールがこのような自己組織化単分子膜を形成する分子の例に挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の有機トランジスタを断面図である。
【図２】実施例１の有機トランジスタの、熱処理前と熱処理後のオン・オフ比を示したグラフである。
【図３】実施例２の有機トランジスタの、熱処理前と熱処理後のオン・オフ比を示したグラフである。
【図４】比較例の有機トランジスタの、熱処理前と熱処理後のオン・オフ比を示したグラフである。
【図５】各材料における表面の水接触角を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明のその他の特徴及び利点について詳述するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内であれば種々に変更して実施することができる。図１は、本発明の有機半導体装置（有機トランジスタ）の構成を示した概略断面図である。
【００１５】
図１に示したように、有機トランジスタ１は、基板２の表面に、ゲート電極３、ゲート絶縁層４、ソース電極５及びドレイン電極６、有機半導体層８を有する。これらの構成は従来の有機ＦＥＴと同様である。本発明は、ソース電極５と有機半導体層８との間、及びドレイン電極６と有機半導体層８との間に単分子膜層７を備える。
【００１６】
次に、本発明の有機トランジスタの製造方法について、同じく図１を用いて説明する。最初に、基板２にゲート電極３を形成する。基板２は、ガラス、シリコン、などの無機材料、あるいはポリカーボネート、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの耐熱性高分子材料から構成することができる。
【００１７】
ゲート電極３は、金属及び導電性有機材料の少なくとも一種を用いて形成すればよい。金属膜を形成する場合には、蒸着やスパッタリング等の既存の真空成膜法を用いればよく、マスク成膜法やフォトリソグラフ法等により電極形状の形成を行うことができる。このとき用いる電極形成用の材料としては、金、白金、クロム、パラジウム、アルミニウム、インジウム、モリブデン、ニッケル等の金属、これら金属を用いた合金、ポリシリコン、アモルファスシリコン、錫酸化物、酸化インジウム、インジウム・錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム・亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等の無機材料が挙げられる。また、これらの材料は２種以上を併用してもよい。
【００１８】
また、導電性有機材料を用いて電極を形成する場合には、ポリアニリン、ポリチオフェン等の導電性インキを塗布して電極とすることができる。この場合の電極の形成は、有機材料を基材上に塗布、乾燥させることで行うことができるため、安価で簡便に行うことができる。塗布する方法としては、スピンコート法、キャスト法、引き上げ法、転写法、インクジェット法等が挙げられる。
【００１９】
次いで、ゲート電極３を覆うようにしてゲート絶縁層４を形成する。ゲート絶縁層４は、ポリメチルシルセスキオキサン、ポリイミド、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレートなどの溶液をスピンコートまたはフレキソ印刷法などで塗布した後、電子オーブンなど加熱硬化して形成する。このように溶液を塗布して形成する方法を以下、溶液法と称する。また、ポリパラキシリレンなど、化学蒸着法によりゲート絶縁層を形成しても良い。
【００２０】
次に、ゲート絶縁層４の上にソース電極５及びドレイン電極６を形成する。有機半導体層８に用いられる公知の電極であれば特に限定されずに用いることができるが、ほとんどの有機半導体が、電荷を輸送するキャリアがホールであるＰ型半導体であることから、半導体層とオーミック接触をとるために、仕事関数の大きい金属で形成されることが好ましい。具体的には、例えば、金、白金が挙げられる。
【００２１】
ここでいう仕事関数とは、固体中の電子を外部に取り出すのに必要な電位差であり、真空準位とフェルミ準位のエネルギー差を電荷量で割った値として定義される。また、半導体層表面にドーパントを高密度にドープした場合は、金属／半導体間をキャリアがトンネルすることが可能となり、金属の材質によらなくなるため、ゲート電極で挙げた金属材料又は導電性有機材料も用いることができる。
【００２２】
次いで、ソース電極５及びドレイン電極６上に自己組織化する単分子膜７を形成するために自己組織化する分子を溶質として含む溶液を作製し、ソース電極５及びドレイン電極６まで作成した素子を溶液に数分ほど浸漬する。浸漬後、素子を引き上げ、溶媒を除去して、自己組織化する単分子膜７を形成するために真空乾燥させる。この際、自己組織化する分子を溶質として含む溶液が、ゲート絶縁層４上では、はじいてしまって後には残らず、単分子層７は形成されない。具体的な溶質の材料としては、ドデカンチオール、ペンタフルオロベンゼンチオール、ベンゼンジチオール、などのアルカンチオール類、オクタデシルトリクロロシラン、フェニルトリクロロシラン、トリメトキシプロピルシランなどのシランカップリング剤が挙げられる。自己組織化単分子膜の種類は、ソース電極及びドレ
イン電極の種類、ゲート絶縁層の表面エネルギーによって適切な材料を選ぶ必要がある。
【００２３】
次に有機半導体層８を形成する。有機半導体層８は、公知の有機半導体材料を用いて形成された層であればよく、この有機半導体材料としては、π電子共役系の芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、有機ケイ素化合物、電荷移動錯体等の材料からなるのが好ましい。具体的な材料としては、ペンタセン、中心ベンゼン環の間にビシクロ環を導入したペンタセン誘導体、テトラセン、アントラセン、チオフェンオリゴマー誘導体、フェニレン誘導体、フタロシアニン誘導体、ポリアセチレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、シアニン色素等が挙げられるが、これらの材料に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２４】
本発明の有機トランジスタとその製造方法について、先の図１に基づいて、詳細に説明する。基板２として、厚さ５００μｍガラス基板を用いた。基板上に形成された膜厚約０．１μｍのＴｉ（チタン）を、フォトリソグラフィによりパターンニングすることによりゲート電極３層を形成した。さらに、ポリメチルシルセスキオキサン溶液をスピンコート塗布し、７０℃で６０分間加熱させたのち、１５０℃６０分間加熱することにより、ポリシルセスキオキサン膜を形成しゲート絶縁層４を得た。
【００２５】
メタルマスクを通して膜厚３０ｎｍの金を蒸着してソース電極５とドレイン電極６の層を形成した。この電極のチャンネル長Ｌは２００μｍ、幅Ｗは４８ｍｍであった。
【００２６】
次いで、ソース電極及びドレイン電極上に自己組織化する単分子膜７を形成するために１−ドデカンチオールが１０ｍモルが溶解したトルエン溶液を作製し、ソース及びドレイン電極まで作成した素子を、溶液に２分ほど浸水した。浸水後引き上げ、１００℃で３０分真空乾燥した。
【００２７】
次いで、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）溶液をスピンコート塗布し、膜厚２００ｎｍの有機半導体層８とし、有機トランジスタ１を作製した。
【００２８】
本実施例で製造した有機トランジスタを熱処理前と熱処理後に電気測定し、ドレイン電圧が−８０Ｖのときの伝達特性の変化を調べた。熱処理条件は、１００℃で２時間真空中加熱とした。試験を行ったときの伝達特性の変化を図２に示した。図２では熱処理前の伝達特性を実線で示し、熱処理後の伝達特性を破線で示した。先に説明したように、オン・オフ比とは、オン時（ゲート電圧が−８０Ｖの時）のドレイン電流値とオフ時（ゲート電圧が０Ｖの時）のドレイン電流値の比である。よって、熱処理前のオン・オフ比は、図２に示された値を用いて、（Ａ２÷Ｂ２）で算出され、熱処理後のオン・オフ比は、（Ｃ２÷Ｄ２）で算出される。その結果、熱処理前のオン・オフ比が１．１４×１０2なのに対し、熱処理後は、１．２１×１０3という良好な値を得ることができた。
【実施例２】
【００２９】
自己組織化する単分子膜７にペンタフルオロベンゼンチオールを用いた以外は、実施例１と同様の操作を行い、有機トランジスタを作製した。
【００３０】
本実施例で製造した有機トランジスタを熱処理前と熱処理後に電気測定し、ドレイン電圧が−８０Ｖのときの伝達特性の変化を調べた。熱処理条件は、７０℃で１時間真空中加熱とした。試験を行ったときの伝達特性の変化を図３に示した。図３では熱処理前の伝達特性を実線で示し、熱処理後の伝達特性を破線で示した。図３より、熱処理前のオン・オフ比（Ａ３÷Ｂ３）、熱処理後のオン・オフ比（Ｃ３÷Ｄ３）をそれぞれ算出すると、熱処理前のオン・オフ比が１．９４×１０1なのに対し、熱処理後のオン・オフ比は４．０４×１０2という良好な値を得た。
【００３１】
（比較例）
実施例１において自己組織化の単分子膜の形成を行わず、それ以外の操作は実施例１と同様にして有機トランジスタを作製した。本比較例で製造した有機トランジスタを熱処理前と熱処理後に電気測定し、ドレイン電圧が−８０Ｖのときの伝達特性の変化を調べた。熱処理条件は、１００℃で２時間真空中加熱とした。試験を行ったときの伝達特性の変化を図４に示した。図４では熱処理前の伝達特性を実線で示し、熱処理後の伝達特性を破線で示した。図４より、熱処理前のオン・オフ比（Ａ４÷Ｂ４）、熱処理後はオン・オフ比（Ｃ４÷Ｄ４）をそれぞれ算出すると、熱処理前のオン・オフ比が４．４１×１０0なのに対し、熱処理後のオン・オフ比が２．８５×１０1とあまり変化がなかった。また、熱処理後にオフ電流Ｄ４は１０-9Ａまで低下したが、オン電流Ｃ４も１０-8レベルまで低下してしまった。熱処理によってもオン・オフ比の改善は見られず、むしろオン電流が低下したためにトランジスタとしての性能は低下してしまった。
【００３２】
ここで、上記の実施例および比較例について、自己組織化の単分子膜の形成によるソース及びドレイン電極の表面エネルギーの変化を、水接触角測定により調べた。水接触角が大きくなるほど、表面エネルギーは低下しているといえる。図５に、実施例１として、１−ドデカンチオール自己組織化単分子膜で処理したソース及びドレイン電極表面の水接触角、実施例２として、ペンタフルオロベンゼンチオール自己組織化単分子膜で処理したソース及びドレイン電極表面の水接触角、比較例として、未処理のソース及びドレイン電極表面の水接触角、さらに、ポリメチルシルセスキオキサンをゲート絶縁膜としたときの水接触角とを示す。図５より、ポリメチルシルセスキオキサンゲート絶縁膜と実施例１で示した１−ドデカンチオール自己組織化単分子膜で処理したソース及びドレイン電極の組み合わせが、水接触角の差が一番小さい組み合わせである。また、この組み合わせを有する実施例１の有機トランジスタが一番、熱処理による電気特性の劣化の少なかった。
【００３３】
これらの結果より、ソース及びドレイン電極上に自己組織化する単分子膜を形成することにより、ゲート絶縁膜表面とソース及びドレイン電極表面の表面エネルギーを近づけることができ、その結果、熱処理によって発生すると考えられる有機半導体層の不連続を低減し、オン電流低下の抑制、ひいては有機半導体の移動度及びオン・オフ比の改善を得ることができることが示された。
【符号の説明】
【００３４】
１  有機トランジスタ
２  高分子基板
３  ゲート電極
４  ゲート絶縁層
５  ソース電極
６  ドレイン電極
７  自己組織化単分子膜
８  有機半導体層
【図１】
2010219457.tif 000003
【図２】
2010219457.tif 000004
【図３】
2010219457.tif 000005
【図４】
2010219457.tif 000006
【図５】
2010219457.tif 000007